相對(duì)論第一節(jié)

相對(duì)論第一節(jié)第1頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六

相對(duì)論的創(chuàng)建時(shí)二十世紀(jì)物理學(xué)最偉大的成就之一。1905年愛因斯坦建立了基于慣性參考系的時(shí)間、空間、運(yùn)動(dòng)及其相互關(guān)系的物理新理論——狹義相對(duì)論。1915年愛因斯坦又將狹義相對(duì)論原理向非慣性系進(jìn)行推廣，建立了廣義相對(duì)論，進(jìn)一步揭示了時(shí)間、空間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和引力之間的統(tǒng)一性質(zhì)。本章將對(duì)狹義相對(duì)論作較全面的介紹，主要內(nèi)容有經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換式，狹義相對(duì)論的基本原理，洛倫茲變換式，狹義相對(duì)論的時(shí)空觀和相對(duì)論力學(xué)的一些結(jié)論。第2頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六14-1伽利略變換式牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀第3頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六歷史背景

·19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展，1865年麥克斯韋總結(jié)出電磁場(chǎng)方程組；預(yù)言了電磁波的存在，并指出其速率各向均為c(真空中)；1888年赫茲在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。

·這顯然和伽利略變換矛盾，按伽利略變換，光速在一個(gè)參考系中若是c，在另一參考系中必不是c。第4頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·

提出問題：

電磁場(chǎng)方程組在哪個(gè)參考系成立呢?·為不和伽利略變換矛盾，人們假設(shè)：宇宙中充滿了叫“以太(ether)”的物質(zhì)，電磁波靠“以太”傳播。把以太選作絕對(duì)靜止的參考系；電磁場(chǎng)方程組只在“以太”參考系成立；電磁波在“以太”參考系中速率各向?yàn)閏。第5頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·

按伽利略變換，電磁波相對(duì)于其他參考系(如地球)速率就不會(huì)各向均勻，而和此參考系相對(duì)于“以太”的速度有關(guān)。若此，如在地球上測(cè)光速，可能>c或<c·19世紀(jì)末，很多精確的實(shí)驗(yàn)和觀察(最著名的是邁克耳孫--莫雷的實(shí)驗(yàn))都得出完全否定的結(jié)果，在任何參考系中測(cè)得的光在真空中的速率均為ｃ。第6頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·是伽利略變換正確而

電磁規(guī)律不符合相對(duì)性原理?·還是電磁規(guī)律符合相對(duì)性原理

而

伽利略變換該修正?·愛因斯坦深入分析了此問題，于1905年發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》作出了對(duì)整個(gè)物理學(xué)都有變革意義的回答。愛因斯坦認(rèn)為：·麥克斯韋方程組應(yīng)對(duì)所有慣性系成立，·在任何慣性系中光速都是各向?yàn)閏。

第7頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·相對(duì)論：高速

·狹義相對(duì)論

研究：慣性系中的物理規(guī)律；慣性系間物理規(guī)律的變換。揭示：時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

·廣義相對(duì)論研究：非慣性系中的物理規(guī)律及其變換。揭示：時(shí)間、空間和物質(zhì)分布的關(guān)系。第8頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六一、伽利略變換式經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)性原理*第9頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六*由經(jīng)典力學(xué)可知：（伽利略位置坐標(biāo)變換公式）第10頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六*若在慣性系S'中沿Ox'軸放置一根細(xì)棒，則此細(xì)棒兩端點(diǎn)在S'系和S系中的坐標(biāo)分別為x'1、x'2和x1、x2,則它們之間的關(guān)系：x1=x’1+vtx2=x’2+vt于是有，x2-x1=x’2-x'1與兩慣性系的相對(duì)速度v無關(guān)空間的度量是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)。此外，時(shí)間的度量也是絕對(duì)的，與參考系無關(guān)。第11頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六速度變換公式*矢量形式：u'=u-v（伽利略速度變換式）第12頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六加速度變換*其矢量形式：第13頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六在兩相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中,牛頓運(yùn)動(dòng)定律具有相同的形式.當(dāng)由慣性系S變換到慣性系S'時(shí)，牛頓運(yùn)動(dòng)方程的形式不變，即牛頓運(yùn)動(dòng)方程對(duì)伽利略變換式來講是不變式。第14頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六二、經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀絕對(duì)空間:

空間與運(yùn)動(dòng)無關(guān),空間的度量與慣性系無關(guān),絕對(duì)不變．絕對(duì)時(shí)間:

時(shí)間均勻流逝,與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)無關(guān),所有慣性系有統(tǒng)一的時(shí)間.

經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為空間只是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的“場(chǎng)所”，是與其中的物質(zhì)完全無關(guān)而獨(dú)立存在的，并且是永恒不變的、絕對(duì)靜止的。第15頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六力學(xué)基本規(guī)律1、牛頓定律2、有關(guān)定理：動(dòng)量定理；角動(dòng)量定理；動(dòng)能定理、功能原理。3、守恒定律：動(dòng)量守恒；角動(dòng)量守恒；機(jī)械能守恒。它們只在慣性系中成立；

在任何慣性系中形式相同。第16頁，共18頁，2023年，2月20日，星期六·力學(xué)相對(duì)性原理1、一切力學(xué)規(guī)律在不同的慣性系中有相同的形式。2、一切慣性系在力學(xué)上是等價(jià)(平權(quán))的3、在一慣性系中作任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法確定該慣性系是靜止還是勻速直線運(yùn)動(dòng)·力學(xué)相對(duì)性原理源于牛頓的時(shí)空觀：時(shí)間和空間的測(cè)量不依賴于慣性參考系。第17頁，共18頁，2023年，2月